基于动测法桥梁承载力评估方法研究

王海涛等:基于动测法桥梁承载力评估方法研究

基于动测法桥梁承载力评估方法研究

王海涛, 罗 韧, 许慧荣, 冯 莹

(南京工业大学, 南京 210009)

摘 要 用动测法评估既有桥梁承载力是一种较有前途的桥梁承载力评估方法,本文以冲击系数为切入点,进行基于应变增大系数和频率双参数的动测方法的研究,对钢筋混凝土简支梁的承载力给予定性的评估。并结合T型梁的动静力试验数据,来验证此动测方法的可行性。

关键词 承载力;动测法;频率;动应变

中图分类号 TU311 3 文献标识码 B 文章编号 1001-6864(2010)09-0045-03

随着国民经济快速发展,交通运输出现了重载、高

速及大流量的现代运输结构的发展趋势,而早先修建

的旧桥,由于其由设计承载力不足或于长期营运产生

的老化、破损、裂缝等导致损伤现象,而引起承载能力

降低,需要拆除重建或者进行加固。目前通常采用静

载试验方法来评定结构的实际承载潜力和现有技术

现状,但该法费时、费力,且检测费用高,对某些跨越江

河及高墩桥梁的检测更为麻烦。鉴于此,本文拟结合

冲击系数和动力测试分析得到的频率为切入点,进行

基于冲击系数和频率等综合动力参数的承载力评估

方法的研究。

1 应变增大系数和冲击系数

用于桥梁结构动力性能评价的动测参数主要包

括自振频率、模态振型、冲击系数、振动加速度等,其中

冲击系数是评价结构动力增大效应(冲击效应)和行

车舒适性的主要指标。冲击系数定义为最大动态位移

和最大静态位移之比,它是根据特征部位的实测动挠

度计算得到,采

f

表示,其算式为式:

f = -1=

f

d m ax

f

j m ax

-1

在冲击系数的计算时,都是用动挠度计算获得的,由于受现场环境条件、设备灵敏度、安装条件等的限制,在很多场合要进行动挠度的准确测量是困难的。一般是通过振动加速度或速度成正比的电信号,需要进行一次积分或两次积分运算得到,过程复杂并且精度也不是太高。

动应变测试技术已有几十年的发展历史,技术成熟,操作方便,并可以直接利用静力试验测点。动应变是一项局部指标,也能在一定程度上反映结果动力增大效应,通过实测动应变信号,计算得到成为应变增大系数,采 表示,其含义:

= -1=d max

j m ax

-1(1)

2

静力校验系数和频率的关系

在静力试验中,我们的挠度公式为:

f=

!!M(x)d x d x

EI

在静力试验中,静力校验系数!作为桥梁结构整

体刚度的评价指标,其计算公式为:

!=

f

实测等效

f

理论等效

用于不同界面的静力校验系数!公式为:

!

f(x)

=

f

t

(x)

f

(x)

公式中f

(x)为桥梁在设计标准荷载作用下的挠

度,f

t

(x)为桥梁在试验荷载作用下的挠度,联立两公式可得:

!

f(x)

=

f

t

(x)

f

(x)

=

!!M(x)d x d x

EI(x)

t

!!M(x)d x d x

EI(x)

对于均布质量的梁桥的固有振动第一固有频率或称最低频率为:

∀

1

=(

#

l

)2

EI

m

亦可写成:EI=m∀2

1

(

l

#)4=∃m∀21

根据上式,EI=∃m∀2

1

可变为:

!

f(x)

=

1

∀2

t

(!!M(x)d x d x)

1

∀2

(!!M(x)d x d x)=

∀2

∀2

t

由于荷载积分项相同,可以得到频率与静力校验系数间的关系公式:

%=!

f(x)

=

∀2

∀2

t

3 基于双动力参数的评估

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低 温 建 筑 技 术2010年第9期(总第147期)

目前对主要从结构的静力性能以及动力性能两方面来评价结构的性能;静力法以校验系数作为结构静力性能的评价指标,动力法以冲击系数!作为结构动力性能的评价指标,二者实质上都是结构承载力的反映。桥梁在结构设计时,通常将车辆荷载的总效应按进行放大,以提考虑结构在动荷载有足够承载力诸备即为:

M 理论总效应=M 静力效应(1+ )

在动力试验中可以基于实测冲击数 实测,按式来衡量结构实际承载力:

M 实际总效应=M 静力效应(1+ 实测)

当 实测< 规范时结构承载力有富余,偏于安全,当 实测∀ 规范范时结构承载力不足、偏于不安全,然而这只考虑单一因素的结果,结构实际承载力还涉及其他动力性能指标。

在静力试验中通过以M 实际总效应与等效的试验荷载作用下的结构的挠度理论值与试验实测值的比值!作为结构刚度与承载力的评价指标。

f 理论等效=-!!

M

理论总效应

(x )d x d x

(EI )理论

f 实际等效=-!!

M 实际总效应(x )d x d x

(EI )实际

联立即:!=

!!M 静力效应(EI)理论(1+ 规范)

M 静力效应(EI)实际(1+ 实测)d x d x

联立可得:K =!!

M 静力效应(EI )理论M 静力效应(EI )实际d x d x =

!(1+ 规范)

(1+ 实测)

=%(1+ 规范)(1+ )

%=

∀20

∀2

t

为理论一阶频率与实测频率的比值, 为

应变增大系数,基于应变增大系数和冲击系数的相通性,从而实现双参数的动力评估方法。4 钢筋混凝土T 形梁承载力动静载试验4.1 试验的概况

试验模型按1#2的比例制作,据此原则设计的钢筋混凝土梁的几何尺寸与材料特性如表1所示。

表1

钢筋混凝土梁的几何尺寸及材料特性

几何尺寸/mm 混凝土材料特性

钢筋材料特性跨度6500标号C20纵筋8~16

梁高550水泥360/kg ∃m -3架立钢筋2f 8翼缘宽600砂750/kg ∃m -3

箍筋

8号铁丝腹板厚度

100

石

1145/kg ∃m -3水平纵向钢筋8号铁丝

4.2 试验过程

试验过程中分级分阶段加载,每当千斤顶加载到每级设定荷载值时,然后卸载。进行桥梁跑车试验的模拟,采集小车在不同工况作用时试验梁的振动信号,经过分析获得模型桥单梁的动力特性。5 试验数据的分析5.1 频率参数的计算分析

通过模态试验检测梁的振动频率,采集1/2截面跑车在工况一下的加速度时域信号,对时域信号进行频域分析得到结构的频率如图1所示。

5.2 应变增大系数分析

在各实验工况一采集1/2截面的动应变时域信号,如图2

。

按照前式的方法取值代入(1)式,其他工况做相

同处理,并计算不同工况下不同截面的应变增大系数见表2。

表2

应变系数检测

车速截面3-3(L /2)截面4-4(L /4)截面7-7(L /8) + - + - + -100 230 130 **** **** 0580 023300 180 280 1580 1560 4980 443400 298

0 27

0 048

0 032

0 088

0 036

规范建议

0 21

注: +为针对拉应交度区段的应交增大系数检测结果; -为针对负应交区段的应交增大系数检测结果。

应变增大系数的规律

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